O problema com os jogos de PC atuais está no facto que o PC não evoluiu, e pensou resolver tudo pela força bruta.

Infelizmente os problemas do PC já existem à muitos anos, mas a nova geração de consolas trouxe-os ao de cima.

No tempo da PS2 eu escrevi um artigo que explicava como uma consola com apenas 32 de RAM e 4 MB de Vram era capaz de ter os mesmos jogos que o PC, quando lá estes requeriam 256 MB de RAM e 64 MB de Vram.

E nesse artigo ficava desde logo a nu um dos problemas do PC.

Basicamente eu nesse artigo fazia uma comparação das arquiteturas com um sistema de abastecimento de agua a uma cidade. Dessa forma, a PS2 era um sistema onde haviam pequenos reservatórios de água disponíveis (A RAM e a VRAM), mas a capacidade dos tubos que transportavam a água (a largura de banda dos canais de comunicação) garantiam que a água nunca baixava de nível e era movida, na sua totalidade se necessário, facilmente de um reservatório para o outro, ao terem uma capacidade de transporte extrema.

E efetivamente a PS2 possuia os já referidos 32 MB de RAM e 4 MB de VRAM, mas uma largura de banda assombrosa para a época de 48 GB/s.

Já o PC era um sistema radicalmente oposto.

Ali os tubos eram de reduzidas dimensões, mas os reservatórios eram de tal forma largos que garantiam que a agua nunca faltava.

E efectivamente o PC na altura tinha 256 MB de RAM, 64 MB de VRAM, e apenas 2 GB/s de transferência num BUS AGP 4x.

O resultado é que  PS2 não precisava da mesma quantidade de RAM uma vez que movia os dados de forma fácil de um lado para o outro. Já o PC, pela dificuldade na comunicação, precisava de grandes depósitos de RAM nas extremidades de forma a tentar suprimir os seus problemas.

E o que vimos ao longo dos anos foram jogos e mais jogos programados a pensar no PC, e onde basicamente os requisitos de RAM aumentavam, e isto porque tudo era carregado para a RAM, e processado lá, usando-se os canais de comunicação o mínimo possível.

E a consequência aqui foi que as consolas acabavam por ser os parentes pobres do PC, pois ao terem menos RAM, mas usarem os mesmo jogos, criados com a mesma filosofia, tinham de cortar na qualidade e/ou conteúdo, de forma a conseguirem meter o jogo na sua memória de menores dimensões.

Mas esta situação estava destinada a ter um fim. Chegar a um ponto onde tudo estouraria!

Isto porque os CPUs do PC evoluiram em potência, os GPUs tambem, mas a capacidade de comunicação entre os periféricos não cresceu da mesma forma. Aliás essa não foi a unica limitação, pois as larguras de banda sofreram não só nesses canais, como na própria RAM, cuja capacidade de fornecer largura de banda não cresceu na mesma medida da performance dos Processadores.

O gráfico que se segue, já mostrava nos anos 2000 que esta situação viria a ser um problema.

Ora com a adoção da arquitetura x86, as consolas, criadas para serem sistemas otimizados e específicos para jogos, mas com custos reduzidos, depararam-se com diversos problemas que tiveram de ser resolvidos.

O primeiro foi que o PC se baseava numa arquitetura dependente de suas pools distintas de memória, o que obrigou à criação de uma memória unificada.

O segundo foi que o tipo de memórias usadas pelo CPU possuem baixa largura de banda, e baixa latência, mas as usadas pelos GPUs possuem elevadas larguras de banda, mas altíssimas latências. Resumidamente, uma DRAM não servia as necessidades de largura de banda do GPU, e uma VRAM criaria elevadas latências no CPU. E isto levou à standarização da tecnologia Huma, que permite disfarçar ao CPU a latência das memórias. A PS5 foi ainda mais longe e criou um sistema de duplo canal de comunicação, conhecidos como o Onion e o Garlic, e que foram usados pela AMD nos CPUs Kaveri, que distinguiam os dois tipos de acesso à RAM, rápidos e lentos, de forma a melhorar as latências no interior do sistema.

Outro dos problemas encontrados foi a falta de coerência entre alguns dos dados, e particularmente as caches, do CPU e GPU, o que numa primeira fase não teve solução, mas foi superado a era PS4 com a utilização de marcadores que identificavam esses dados como sendo de um ou outro processador, de forma a não serem erroneamente chamados (os dados das caches são incompatíveis nos dois processadores).

Estas tecnologias, usadas pela AMD tambem no PC, não se tornaram standard devido a questões de marketing e performance, uma vez que os GPUs integrados nos SOCs não conseguiam igualar a performance dos GPUs discretos, e não era possível o SOC, por questões térmicas, aumentar os consumos para permitir melhores performances gráficas. Assim porque as empresas queriam continuar a vender os seus GPUs de elevadas performance (e custo), a resolução dos problemas do PC, que poderia ter começado aqui, foi adiada.

Mas eis que chegamos à nova geração. A geração PS5/Xseries, e onde os fabricantes das consolas se veem a braços com alguns dos sérios problemas com que a arquitetura x86 estava prestes a se debater.

Dado termos falado nisso, um dos problemas resolvidos pela PS5 foi a questão das caches. A consola introduziu no seu hardware motores de coerência que tornam dispensáveis os previamente referidos marcadores, tornando os dados das caches compreensíveis por ambos os processadores, podendo estes ser partilhados, o que traz enorme poupança de processamento e de uso de caches.

Mas o grande problema da arquitetura estava por resolver:

Basicamente as novas consolas precisavam de eliminar os discos para conseguirem leituras de texturas 4K em tempos considerados uteis. Mas não só os SSDs existentes nessa altura no PC não conseguiam oferecer isso, como as pools de memória necessárias para isso tornariam as consolas demasiadamente caras. E nesse sentido era preciso resolver-se o problema da dependência das grandes pools de RAM que o PC possuía, criando algo que permitisse ao sistema libertar-se de todos os seus gargalos.

E nesse aspecto, tanto a Microsoft com a sua Xbox, como a Sony com a sua PS5 deram passos positivos nesse sentido. Mas a solução da Sony, já na altura considerada como revolucionária, só agora parece começar a ser verdeiramente reconhecida. Isto apesar de ela representar o maior salto alguma vez visto na arquitetura X86, dos últimos 20 anos.

Basicamente o todo poderoso PC estava prestes a deparar-se com vários problemas que as consolas previam já!

1- Os SSDs existentes não eram capazes de alimentar uma geração verdadeiramente 4K com tempos de loading reduzidos
2- Com a capacidade de transferência dos SSDs a ser baixa, seria necessário que os dados viessem comprimidos e que os sistemas fossem capazes de descomprimir grandes quantidades de dados em tempo real, o que teria grande peso no CPU.
3- Estes dados necessitariam de entrar na RAM comprimidos, serem alvo de um processo de check in, serem descomprimidos, o que implicaria a manutenção temporária dos dados comprimidos e descomprimidos na memória (aumento do uso da RAM), uso de largura de banda para descompressão, e elevado uso do CPU.

Basicamente tanto Sony como Microsoft abordaram estes problemas, mas apenas a Sony os resolveu todos, e não só isso, como ainda foi mais longe!

Tanto Microsoft como Sony resolveram o ponto 1 referido acima e relativa à pouca capacidade de transferência dos SSDs com o uso de compressão. Isto apesar de ambas as marcas terem optado por SSDs com capacidades de leituras diferentes, nomeadamente 2.4 GB/s na Xbox e 5 GB/s na PS5.

Esta compressão deu então origem ao problema referido no ponto 2. E tanto Microsoft como Sony resolveram o problema com o uso de compressores dedicados capazes de descomprimir os dados em tempo real. O da Microsoft capaz de trabalhar com um fluxo de dados de até 6 GB/s e o da Sony a poder alcançar os 17 GB/s (O valor da PS5 chegou a ser anunciado como sendo 27 GB/s com as novas revisões ao Kraken, o software usado pelos descompressores).

No que toca ao ponto 3, a Microsoft nunca deu a conhecer que tenha resolvido esse problema! Daí que se acredita que a Xbox, tal como o PC, descomprime os dados na sua RAM, e tem todo o processo de check in. Já a PS5 resolveu esse problema ao colocar no seu sistema de I/O uma memória tampão ultra rápida (estilo cache) de 4 MB, que faz a descompressão em tempo real, entregando-a direta na RAM já pronta a usar, e poupando assim memória e largura de banda.

Ora estes 3 pontos são parte da causa pela qual o PC tem más performances com os jogos. Basicamente há imensos ciclos de processamento que são perdidos apenas para que os dados lidos fiquem prontos a serem usados. E mais do que isso, há uma demora, ou seja, uma latência entre a leitura e o uso efetivo que é incomparavelmente mais baixa na Xbox, e nula na PS5.

Ora ao longo destes dois últimos anos, o PC tem vindo a abordar estes problemas e a tentar superar os mesmos. Mas as soluções que tem existido, e que até tem melhorado e bastante as suas performances, continuam insuficientes.

As soluções do PC

Vamos começar pelo ponto 1, a velocidade dos SSDs, que basicamente desapareceu com o aparecimento dos SSDs NVME de 4ª geração, capazes de igualar as performances da PS5, e até de a superar.

Infelizmente, apesar desta realidade, os NVME com essa performance estão longe de ser o standard de mercado, o que implica que poucos criadores de software irão programar com eles em mente como sendo a base, o que implica que a solução, apesar de existente, está algo adiada.

O ponto 2 foi um sério problema para o PC. A situação até passava por vezes despercebida quando o PC dedicava o seu CPU a descomprimir dados durante os tempos de carga. Isso tinha como implicação potencial uma carga ligeiramente maior, mas era uma solução para o problema.
No entanto, esta solução não podia funcionar em jogos de mundo aberto, onde o streaming é requerido, a não ser que tal implicasse um aumento nos requisitos de RAM para conter o mundo ou pelo menos uma grande parte dele, na memória.

 

Mais recentemente, eis que a Microsoft traz a sua solução usada na Xbox para o PC, sobre a forma do Direct Storage. Basicamente a Microsoft faz o que existe na sua consola, que implica libertar o CPU do trabalho de descompressão dos dados do SSD, mas sem usar descompressores dedicados, que o PC não possui, usando o seu GPU.

Os resultados são claramente superiores à situação anterior, uma vez que a descompressão de dados pelo CPU podia usar a 100% vários dos núcleos do CPU, sendo que o GPU não só se revela mais rápido, como com menor impacto nas performances.

Mas no entanto, esta solução não é ainda perfeita quando comparada com a da PS5. Vamos ver!

Com o Direct Storage, a leitura continua a ser feita para a RAM do sistema, o que implica não só o uso da RAM, como da sua largura de banda. Necessita ainda de um processo de check in com intervenção do CPU para perceber que tipo de dados estão ali e se requerem envio para o GPU ou não.

Depois é feita uma cópia para o GPU, o que implica nova leitura dos dados, com consequente uso de largura de banda, para cópia para a memória do GPU, onde é descomprimida, o que implica o uso temporário de duas cópias, a versão comprimida que está a ser lida, e a descomprimida que está a ser escrita.

Finalmente, e o esquema não refere isso, os dados que são para serem tratados pelo CPU são mandados de volta para a RAM principal.

Isto não acontece em tempo real devido às transferências diversas, existindo assim perda de ciclos relógio, uso de recursos e acima de tudo, latencia envolvida.

Repare-se agora no que é feito na PS5.

Basicamente, um controlador DMA dedicado inicia a transferência, os dados são lidos para uma SRAM de 4MB presente no sistema de I/O, os dados são descomprimidos pelo Kraken, realizando-se ali o check in, e os dados são entregues na memória prontos a usar.

Isto, por ter sido concebido de raiz para ser assim, é rápido o suficiente para acontecer em tempo real, pelo que a entrega não apresenta latências.

A compilação de shaders

Um outro problema do PC é o stuttering causado pela compilação de shaders em tempo real, que só se resolve com a pré compilação antes de se jogar.

Os motivos de tal são diferentes dos encontrados pelos problemas acima referidos, mas são igualmente um problema que seria expectável que viesse a aparecer no PC.

Isto porque o aumento da qualidade gráfica implicou que os jogos passassem a ser graficamente dependentes de um elevado numero de shaders, e esses shaders são por norma calculados em tempo real, acontecendo porém que, nas consolas, eles vem já pré compilados.

Mas porque motivo isso não é feito tambem no PC?

Bem, para percebermos o motivo pelo qual os shaders necessitam de ser compilados é preciso perceber-se o que é que significa compilar os mesmos. A compilação é basicamente o processo de converter o código usado em instruções que o hardware percebe.

Ora cada GPU tens capacidades diferentes e suportes diferentes. Isso quer dizer que, por exemplo, código compilado num GPU AMD não corre num Nvidia, ou corre sequer num outro GPU AMD com capacidades diferentes ou inferiores.

O que isto implica é que uma pré compilação dos shaders obriga a se ter a certeza de que o GPU que vai receber o código pré compilado tem o suporte exato para aquele código, ou seja que o código enviado é exatamente igual ao que ele criaria ao compilar os shaders em tempo real.

E essa certeza só existe quando o hardware é uno, ou garantidamente compatível. o que sabemos que acontece sempre nas consolas onde todas são iguais ou compatíveis, mas que, nos PCs, pela absurda quantidade de combinações de hardware que podemos encontrar, isso não pode nunca ser garantido.

E nesse sentido, as consolas podem receber shaders pré compilados, mas o PC não!

O que isto implica é que os GPUs das consolas ganham uma grande vantagem face aos do PC. É que quando o GPU do PC necessita de compilar o shader antes de o aplicar, os GPUs da consola não o fazem pois recebem logo o shader compilado. E devido a tal as consolas não só podem arrancar os jogos mais rápido, como os correm sem problemas, sendo que no PC, pelo processamento extra necessário à compilação, podemos ver GPUs mais potentes que os das consolas a terem problemas com a fluidez.

Nota Final

Curiosamente este artigo não era para ser escrito desta forma. A ideia era referir que este tema foi abordado num video do More’s Law is Dead que contou com a presença de um programador que referiu exatamente alguns dos problemas que tem levado os PCs, a apresentarem as más performances das quais todos se queixam.

Mas ao escrever subitamente deparei-me com um artigo onde no fundo recapitulo tudo o que já fui dizendo aqui sobre esse assunto, e que é igualmente abordado no video.

O video esse deixo-o de qualquer maneira de seguida, caso queiram ouvir da boca de terceiros parte aquilo que o artigo de cima refere:

Termino apenas com a conclusão obvia de tudo isto.

O PC é efetivamente a máquina mais poderosa do mercado para jogos. No entanto, atualmente, pelas suas optimizações especificas as consolas possuem vantagens claras sobre o PC. Daí que excluindo os casos de má optimização nas consolas, ou no PC, nos casos onde a optimização é perfeita de ambos os lados, os requisitos do lado do PC para igualar uma consola de 500 euros, atiram o custo da máquina para valores astronômicos e que não compensam.

E se sabemos que há fanboys que não concordarão com isto, estes terão de engolir em seco e aceitar, uma vez que o aqui referido é uma realidade de problemas atuais na arquitetura dos PCs que não é inventada aqui, mas reconhecida pela industria, e para os quais, mezinhas e xaropes da Avô, como os preconizados por Alex Bataglia da Digital Foundry para optimização de jogos PC, de nada valem pois a real solução passava por re-escrever o jogo todo, alterando o seu funcionamento interno de forma a este se adaptar à realidade pouco adaptada do hardware dos PCs.

Fonte Imagens

Imagem um: Fonte – artigo de investigação cientifico na revista IEEE micro (IEEE Micro é uma revista científica revisada por pares publicada pela IEEE Computer Society cobrindo pequenos sistemas e chips semicondutores, incluindo processos e práticas de circuitos integrados), em 1997.
Imagem 2 – Fonte – Nvidia – Publicada em Novembro de 2022 na apresentação do seu RTX I/O, sendo uma de duas imagens apresentadas.
Imagem 3 – Fonte – Microsoft – Retirada do blog Hot Hardware.
Imagem 4 – Fonte – Sony – Video The Road to PS5.